ES2634910T3

ES2634910T3 - Sistemas y procedimientos de supervisión para sistemas de alcantarillado y otros conductos

Info

Publication number: ES2634910T3
Application number: ES10710120.6T
Authority: ES
Inventors: Ivan Howitt
Original assignee: University of North Carolina at Charlotte
Current assignee: University of North Carolina at Charlotte
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2017-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-03
Also published as: EP2404151B1; CA2754418C; WO2010101966A1; US20090250125A1; PL2404151T3; CA2754418A1; EP2404151A1; US8220484B2

Abstract

Un sistema de supervisión para una red de conductos que comprende una o más secciones (30, 38) de conducto unidas en uno o más nodos de conducto, que comprende: uno o más dispositivos (40-48) de sensor dispuestos en unos seleccionados del uno o más nodos de conducto, en el que cada uno del uno o más dispositivos de sensor es operable para la detección de un bloqueo o rotura (50) en una sección de conducto asociada transmitiendo una señal que se afecta por el bloqueo o rotura a otro dispositivo sensor que mide una señal transmitida después de que ha pasado a través de o por el bloqueo o rotura y/o que se refleja mediante el bloqueo o rotura de vuelta al mismo, en el que se miden tanto la señal transmitida después de que ha pasado a través de o por el bloqueo o rotura como una señal reflejada después de que se ha reflejado por el bloqueo o rotura, en el que la señal se transmite en una dirección que es sustancialmente paralela a una dirección de flujo de fluido prevista en la sección de conducto asociada y en el que cada uno del uno o más dispositivos de sensor es operable para la comunicación de información de bloqueo o rotura a una ubicación central.

Description

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DESCRIPCION

Sistemas y procedimientos de supervision para sistemas de alcantarillado y otros conductos Remision a solicitud(es) relacionada(s)

La presente solicitud de patente no provisional reivindica el beneficio de la prioridad de la Solicitud de Patente de Estados Unidos N.° 61/041,725, presentada el 2 de abril de 2008 y titulada "SEWER SYSTEM OVERFLOW (SSO) DETECTION NETWORK".

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere en general a la supervision de sistemas y procedimientos para sistemas de alcantarillado y otros conductos. Mas espedficamente, la presente invencion se refiere a una red de sensores operables para la prediccion y deteccion de bloqueos y roturas en un sistema de alcantarillado, otro sistema de distribucion de fluidos u otro sistema de distribucion de gas, de tal forma que puede realizarse mantenimiento preventivo y de emergencia con un despliegue eficiente de recursos y pueden evitarse danos y perdida mayores. Esta red de sensores utiliza senales de audio y/o frecuencia de radio (RF).

Antecedentes de la invencion

En los Estados Unidos anualmente se producen mas de 34 mil desbordamientos de alcantarillado, resultando en el derrame de mas de 3,22 billones (850 mil millones de galones) de aguas residuales no tratadas. En Charlotte, Carolina del Norte, por ejemplo, en 2007 se produjeron mas de 400 desbordamientos de alcantarillado sanitario (SSO) dentro del area de servicio de Charlotte-Mecklenburg Utilities (CMU), resultando en el derrame de mas de 6,06 millones (1,6 millones de galones) de aguas residuales no tratadas. Tales desbordamientos de alcantarillado se provocan predominantemente por bloqueos. Estos bloqueos provocan que las aguas residuales no tratadas se derramen fuera de los registros a las calles, a propiedades publicas y privadas y a vfas fluviales. Los resultados son danos materiales, problemas ambientales y, en los casos mas graves, salud publica y peligros para la seguridad. La complejidad y naturaleza dinamica del sistema de alcantarillado presenta significantes desaffos de mantenimiento. El desarrollo de polttica de mantenimiento subyacente es una correlacion de ingeniena: mantenimiento en exceso resulta en un despliegue de recursos ineficiente y coste innecesario y mantenimiento insuficiente resulta en un mayor riesgo de desbordamiento. Por lo tanto, existe una necesidad en esta industria y otras de sistemas y procedimientos fiables y asequibles para predecir y detectar bloqueos y roturas en un sistema de alcantarillado, otro sistema de distribucion de fluidos u otro sistema de distribucion de gas, de tal forma que mantenimiento preventivo y de emergencia puede realizarse con un despliegue eficiente de recursos y pueden evitarse danos y perdidas mayores. El documento US 2003/033879 A1 describe la supervision de un conducto transmitiendo una senal en el conducto en una direccion paralela a una direccion de flujo de fluido prevista y captando un bloqueo en la seccion de conducto asociada a base de una senal reflejada medida con sensores dispuestos en el conducto.

Breve sumario de la invencion

En diversas realizaciones ilustrativas, la presente invencion proporciona sistemas y procedimientos de supervision para sistemas de alcantarillado y otros conductos. Estos sistemas y procedimientos de supervision permiten que las compares de servicios publicos de aguas residuales y similares implementen sistemas de mantenimiento predictivos dinamicos (DPMS) e introduzcan programas de mantenimiento justo a tiempo para la mitigacion de desbordamientos de alcantarillado combinados (CSO), que implican tanto aguas residuales como agua de lluvia, y SSO, que implican unicamente aguas residuales. Por ejemplo, los sistemas y procedimientos de supervision permiten la deteccion de bloqueos en tubenas de bajo flujo debido a atascos de grasa, bolas de rafces y similares, asf como roturas. Los esfuerzos de mantenimiento pueden entonces dirigirse a areas en las que los problemas son mas probables, asf como en las que ya existen. Sera facilmente evidente a los expertos en la materia, que aunque muchos de los ejemplos proporcionados en el presente documento implican sistemas de alcantarillado, los sistemas y procedimientos de supervision de la presente invencion son aplicables a cualquier sistema de conductos, tales como sistemas de distribucion de petroleo, otros sistemas de distribucion de fluidos, sistemas de distribucion de gas, etc. - es decir cualquier sistema que incluya una red de "tubenas" para la distribucion de uno o mas "materiales" (dando a estos terminos las mas extensas interpretaciones posibles).

En una realizacion ilustrativa, la presente invencion proporciona un sistema de supervision para una red de conductos como se define en la reivindicacion 1. Preferentemente, cada uno de los dispositivos de sensor incluye uno de un dispositivo sensor de audio y un dispositivo sensor de frecuencia de radio y se comunica a traves de este medio. Cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la deteccion del bloqueo o rotura en la seccion de conducto asociada midiendo un atributo de una senal transmitida/recibida, solo o en combinacion con otro dispositivo sensor. Cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la comunicacion de la informacion de bloqueo o rotura a la ubicacion central a traves de un enlace inalambrico. El sistema de supervision tambien incluye un modelo predictivo de red de conductos proporcionado en la ubicacion central y operable para el procesamiento de la informacion de bloqueo o rotura para formar una polttica de mantenimiento predictiva dinamica que dicta una accion de mantenimiento. El sistema de supervision adicionalmente incluye una base de datos historica que informa al modelo predictivo de red de conductos. El sistema de supervision aun incluye adicionalmente un mecanismo de

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alarma que se activa en la ubicacion central mediante la informacion de bloqueo o rotura si se cruza un determinado umbral de bloqueo o rotura. Opcionalmente, la red de conductos incluye una red de lmeas de alcantarillado, las secciones de conducto incluyen secciones de lmea de alcantarillado y los nodos de conductos incluyen registros.

En otra realizacion ilustrativa, la presente invencion proporciona un procedimiento de supervision para una red de conductos como se define en la reivindicacion 9. Preferentemente, cada uno de los dispositivos de sensor incluye uno de un dispositivo sensor de audio y un dispositivo sensor de frecuencia de radio y se comunica a traves de este medio. Cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la deteccion del bloqueo o rotura en la seccion de conducto asociada midiendo un atributo de una senal transmitida/recibida, solo o en combinacion con otro dispositivo sensor. Cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la comunicacion de la informacion de bloqueo o rotura a la ubicacion central a traves de un enlace inalambrico. El procedimiento de supervision tambien incluye proporcionar un modelo predictivo de red de conductos en la ubicacion central operable para el procesamiento de la informacion de bloqueo o rotura para formar una polftica de mantenimiento predictiva dinamica que dicta una accion de mantenimiento. El procedimiento de supervision adicionalmente incluye proporcionar una base de datos historica que informa al modelo predictivo de red de conductos. El procedimiento de supervision aun incluye adicionalmente proporcionar un mecanismo de alarma que se activa en la ubicacion central mediante la informacion de bloqueo o rotura si se cruza un determinado umbral de bloqueo o rotura. Opcionalmente, la red de conductos incluye una red de lmeas de alcantarillado, las secciones de conducto incluyen secciones de lmea de alcantarillado y los nodos de conductos incluyen registros.

En una realizacion ilustrativa adicional, la presente invencion proporciona un procedimiento de supervision y mantenimiento para una red de conductos como se define en la reivindicacion 17. Opcionalmente, el estado de bloqueo o rotura se evalua en una ubicacion central. Opcionalmente, el estado de bloqueo o rotura se evalua en la ubicacion central usando un modelo predictivo de red de conductos operable para el procesamiento de informacion de bloqueo o rotura para formar una polftica de mantenimiento predictiva dinamica que dicta una accion de mantenimiento. Opcionalmente, la red de conductos incluye una red de lmeas de alcantarillado, las secciones de conducto incluyen secciones de lmea de alcantarillado y los nodos de conductos incluyen registros.

Breve descripcion de los dibujos

La presente invencion se ilustra y describe en el presente documento con referencia a los diversos dibujos, en los que numeros de referencia similares se usan para indicar componentes/etapas de procedimientos de sistema similares, segun sea apropiado, y en los que:

la Figura 1 es un diagrama esquematico que ilustra una realizacion ilustrativa de la estructura DPMS de la presente invencion;

la Figura 2 es un diagrama esquematico que ilustra una realizacion ilustrativa de la red de sensores inalambricos de lmea de alcantarillado (SL-WASN) de la presente invencion (que conceptualmente es similar a la red de sensores RF inalambricos de lmea de alcantarillado de la presente invencion);

la Figura 3 es una representacion que ilustra la evaluacion de un coeficiente de atenuacion de audio para una tubena de policloruro de vinilo (PVC) de 20,32 cm (8 pulgadas);

la Figura 4 es un diagrama esquematico que ilustra una realizacion ilustrativa de un procedimiento de medicion usado por la SL-WASN de la Figura 2 para obtener un conjunto de comportamientos de estimaciones de bloqueo usado para clasificar un estado de bloqueo de una seccion de lmea de alcantarillado en riesgo;

la Figura 5 es un diagrama esquematico que ilustra un procedimiento ilustrativo para la estimacion de una respuesta a impulso asociada con el procedimiento de medicion de la Figura 4;

la Figura 6 es un diagrama esquematico que ilustra una realizacion ilustrativa de un nodo de sensor acustico de la SL-WASN de la Figura 2;

la Figura 7 es un diagrama esquematico que ilustra una realizacion ilustrativa de un protocolo SL-WASN de la presente invencion, en la que los datos de bloqueo se comunican desde el nodo A-B-C-D de sensor;

la Figura 8 es un diagrama esquematico que ilustra otra, mas generica, realizacion ilustrativa de la estructura DPMS de la presente invencion; y

la Figura 9 es un diagrama esquematico que ilustra una realizacion ilustrativa de un nodo de sensor de audio de la presente invencion, destacando los componentes del mismo.

Descripcion detallada de la invencion

Haciendo referencia a la Figura 1, el DPMS 10 de la presente invencion utiliza observaciones en tiempo real de secciones 12 de lmea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo para formular una polftica 14 de mantenimiento predictiva dinamica. Esta polftica 14 de mantenimiento predictiva dinamica de justo a tiempo minimiza las perdidas economicas asociadas con la planificacion de mantenimiento convencional dentro de secciones 12 de

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l^nea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo.

La planificacion de mantenimiento convencional habitualmente utiliza conocimiento previo y analisis de evaluacion de riesgo informal para mitigar CSO y SSO. Por ejemplo, se conoce que secciones de lmea de alcantarillado de aguas residuales que se ubican cerca de restaurantes y similares requieren mantenimiento regular debido a practicas de manipulacion de grasa inadecuadas.

Como se indica mediante la distribucion aleatoria de CSO y SSO dentro de muchos municipios, es inadecuado el uso de las mejores practicas actuales en la evaluacion de secciones 12 de lmea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo. Usando datos historicos, datos climatologicos, patrones culturales y patrones de follaje, ciertas areas dentro de una red de comparna de servicio publico de aguas residuales pueden apuntarse como que tiene un mayor riesgo de CSO y SSO, pero sin ninguna percepcion real en las secciones de lmea de alcantarillado de aguas residuales espedficas en riesgo de desbordamiento. Analogamente, las lmeas principales, que a menudo corren a lo largo de arroyos aislados o cuencas fluviales, presentan un riesgo particularmente alto. Debido a sus ubicaciones remotas y alta capacidad de flujo, un bloqueo o rotura puede resultar en un derrame con un millon o mas de litros de aguas residuales derramandose antes de la reparacion. Usando esta percepcion, se facilita la viabilidad comercial de la estructura DPMS de la presente invencion limitando el despliegue de tecnologfa de observacion en tiempo real DPMS a secciones 12 de lmea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo con un alto riesgo de desbordamientos o altos costes si se producen desbordamientos.

Secciones de lmea de alcantarillado de aguas residuales de SSO con alto riesgo y aperiodicas son candidatas para el empleo de la estructura DPMS de la presente invencion. Como se ilustra en la Figura 1, el DPMS 10 de la presente invencion despliega una SL-WASN 16 operable para la realizacion de observaciones en tiempo real. Analogamente, puede desplegarse un equivalente RF de la SL-WASN 16. La SL-WASN 16 es un componente clave tanto para la supervision de las secciones 12 de lmea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo, asf como para proporcionar tecnologfa de comunicaciones para retransmitir las observaciones en tiempo real de vuelta a una oficina central. Las observaciones en tiempo real se introducen en un modelo 18 predictivo de lmea de alcantarillado que utiliza analisis de dos puertos, conjunto de comportamientos de vecindad, una estimacion de estado, un modelo oculto de Markov y/o similares, que proporcionan un analisis 20 de evaluacion de riesgo de mantenimiento. Tanto este modelo 18 predictivo de lmea de alcantarillado como analisis 20 de evaluacion de riesgo de mantenimiento se informan mediante el conocimiento previo 22 descrito anteriormente; incluyendo datos historicos, datos climatologicos, patrones culturales, patrones de follaje y/o similares. Debena observarse que pueden tenerse en cuenta otros factores para otras aplicaciones que no sean de lmea de alcantarillado. El analisis 20 de evaluacion de riesgo de mantenimiento se usa para formular la politica 14 de mantenimiento predictiva dinamica y tomar una accion 24 de mantenimiento, informacion sobre la cual se introduce de vuelta al modelo 18 predictivo de lmea de alcantarillado y analisis 20 de evaluacion de riesgo de mantenimiento. Como se ha descrito anteriormente, se usan observaciones 26 en tiempo real para informar la colocacion y operacion de la SL-WASN 16.

Cada uno de los componentes del DPMS 10 se describe en mayor detalle en el presente documento a continuacion. El DPMS 10 es a base del despliegue de la SL-WASN 16 para habilitar e implementar la estructura DPMS. Los componentes del DPMS 10 interrelacionan entre sf para formar una solucion llave en mano para compares de servicio publico de aguas residuales para mantener secciones 12 de lmeas de alcantarillado o para otras entidades para mantener otras secciones de redes de conductos de una manera similar. A este respecto, el DPMS 10 de la presente invencion es muy adaptable y robusto.

El analisis 20 de evaluacion de riesgo de mantenimiento se efectua en tiempo real para la porcion de la red de la comparua de servicio publico de aguas residuales cubierta por el DPMS 10. Esta evaluacion es a base de datos retransmitidos a la oficina central desde la SL-WASN 16. Los datos proporcionados por la SL-WASN 16 son un conjunto de comportamientos que caracterizan el bloqueo para cada seccion de tubena, es decir el conjunto de comportamientos de estimaciones de bloqueo. Usando el conjunto de comportamientos de estimaciones de bloqueo, se hacen estimaciones de estado del bloqueo. La composicion espedfica del conjunto de comportamientos de estimacion de bloqueo es espedfica de la aplicacion. La complejidad y requisitos de implementacion del analisis 20 de evaluacion de riesgo de mantenimiento son a base de las caractensticas del conjunto de comportamientos de estimacion de bloqueo y los procedimientos de ruido asociados con la medicion de datos. Estos factores influencian la capacidad de discriminar entre los diversos estados de bloqueos, es decir el grado al que se bloquea o rompe una seccion de tubena.

Se usa un analisis clasico de evaluacion bayesiano de riesgo para ilustrar el analisis 20 de evaluacion de riesgo de mantenimiento, en el que la accion de mantenimiento optima es a base de minimizar el siguiente riesgo condicional en el conjunto de todas las acciones posibles:

imagen1

en la que:

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ai es la Psima accion de mantenimiento, por ejemplo limpiar la seccion 12 de lmea de alcantarillado en

riesgo en el siguiente mes.

mj es el fsimo estado de bloqueo dentro de la seccion de lmea de alcantarillado en riesgo, por ejemplo la

seccion 12 de lmea de alcantarillado en riesgo esta bloqueada un 25 %.

Pr[m/|x] es la probabilidad de estado mj dada la observacion x. mj es el verdadero estado de bloqueo y x es la

observacion desde la que el verdadero estado de bloqueo debe deducirse.

X(a|<m|) es una funcion de ponderacion que representa la perdida asociada con tomar la accion de

mantenimiento ai dado el estado de bloqueo mj, por ejemplo la perdida asociada con la espera de un mes para realizar el mantenimiento dado que la seccion 12 de lmea de alcantarillado en riesgo esta en la actualidad bloqueada un 25 %.

Esta evaluacion bayesiana de riesgo es unicamente un posible enfoque y se proporciona en este punto por medio de ejemplo no limitante. Debido a las caractensticas temporales del bloqueo, es posible que el uso de un Modelo de Markov o un modelo oculto de Markov, bien conocido para los expertos en la materia, pueda mejorar la fiabilidad del analisis de evaluacion de riesgo de mantenimiento.

Observaciones en tiempo real de las secciones 12 de lmea de alcantarillado en riesgo proporcionan parametros medidos para la estimacion del estado de bloqueo presente. Estas observaciones en tiempo real se retransmiten a la oficina central, permitiendo que la polftica 14 de mantenimiento predictiva dinamica se adapte. La SL-WASN 16 de la presente invencion incorpora dos innovaciones tecnicas novedosas y fundamentales: 1) detecta directamente caractensticas de bloqueo/rotura y 2) utiliza una red de comunicacion inalambrica desplegada en la red de conductos. Estas dos innovaciones tecnicas novedosas y fundamentales proporcionan ventajas significativas sobre tecnologfas de deteccion de CSO y SSO actuales, en las que la deteccion se evalua indirectamente. Por ejemplo, tasas de flujo se miden en la actualidad en ubicaciones dispares dentro de la red de conductos y/o se usa radar para estudiar localmente bloqueos/roturas. En el primer caso, cada medicion del medidor de flujo se retransmite directamente a traves de una red celular en superficie a la oficina central. En la oficina central, se usan los datos del medidor de flujo, en conjuncion con modelos de flujo de red de aguas residuales, para evaluar bloqueos dentro de toda la red de conductos. Dependiendo del numero de medidores de flujo, este enfoque puede ser util para la deteccion de problemas dentro de las tubenas de mayor diametro. Las tecnologfas convencionales, sin embargo, sufren de su incapacidad para detectar problemas dentro de sus lmeas de suministro, donde se producen la mayona de desbordamientos. Debido al alto coste asociado con tanto los medidores de flujo, asf como los costes de servicio iniciales y recurrentes para cada modem celular, expandir el numero de medidores de flujo desplegados es prohibitivo. Incluso con un numero expandido de medidores de flujo, este enfoque tiene la limitacion intrmseca de medicion indirecta, que limita la deteccion temprana de bloqueos.

Haciendo referencia a la Figura 2, la seccion 30 ABC de lmea de alcantarillado es una tfpica lmea de suministro con una tubena de 20,32 centimetres (8 pulgadas) de diametro con registro 32 A, registro 34 B y registro 36 C ubicados espaciados a 73,15-152,4 metros (240-500 pies). La seccion 30 ABC de lmea de alcantarillado suministra en seccion 38 CDE de lmea principal. Esta region ilustrativa de la red de alcantarillado tiene un alto riesgo de desbordamientos. Por lo tanto, a intervalos regulares dentro de la red de alcantarillado, se despliegan sensores/transceptores de audio o RF inalambricos de bajo coste (es decir nodo 40 A de sensor, nodo 42 B de sensor, nodo 44 C de sensor, nodo 46 D de sensor y nodo 48 E de sensor) dentro de respectivos registros. En el caso de audio, cada uno de estos nodos de sensor incluye componentes existentes en el mercado facilmente disponibles, como se ilustra en una realizacion ilustrativa en la Figura 9. Los nodos de sensor son operables colectivamente para el intercambio de senales de audio que se impactan previsiblemente o se afectan mediante bloqueos/roturas intermedias. En el caso RF, cada uno de estos nodos de sensor tambien incluye componentes existentes en el mercado facilmente disponibles. Los nodos de sensor son operables colectivamente para el intercambio de senales RF que se impactan previsiblemente o se afectan mediante bloqueos/roturas intermedias. Los nodos de sensor se auto configuran en una red de sensores, permitiendo que datos de sensores de cada uno de los nodos de sensor se transmitan a traves de la red de sensores a un punto de recogida, es decir el nodo 48 E de sensor en el ejemplo ilustrado. Este punto de recogida proporciona una entrada a la red celular para la SL-WASN 16 a traves de la que se retransmiten de vuelta a la oficina central las estimaciones de bloqueo/rotura dentro de cada seccion de la red de alcantarillado cubierta por la red de sensores. La topologfa de la red de sensores puede configurarse para soportar mejor la deteccion de desbordamiento de alcantarillado dentro del distrito de la compafna de servicio publico de aguas residuales. Dentro de diferentes regiones de la red de alcantarillado pueden instalarse multiples redes de sensores para supervisar directamente todas las secciones 12 de lmea de alcantarillado en riesgo (Figura 1). De nuevo, otras redes de conductos pueden configurarse de forma similar a la red de alcantarillado ilustrada.

Midiendo tanto la transmision como reflexion de las senales de audio/RF entre los nodos de sensor, puede evaluarse directamente un bloqueo/rotura 50 de seccion de lmea de alcantarillado. Tanto las caractensticas de transmision como de reflexion de las ondas de sonido/senales RF se impactaran a base de acumulacion de grasa, bloqueo de rafces u otras obstrucciones, asf como una rotura. Esto se ilustra entre el nodo 40 A y nodo 42 B en los que la seccion 30 ABC de lmea de alcantarillado se obstruye mediante un bloqueo 50 parcial. Las mediciones de senal basicas para la deteccion de un bloqueo/rotura 50 incluyen: 1) medir las caractensticas de transmision y de reflexion de las senales de audio/RF entre los nodos de sensor, 2) medir unicamente las caractensticas de transmision de las senales de audio/RF entre los nodos de sensor y 3) en el caso de audio, detectar pasivamente ondas de sonido

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ambiente. Por ejemplo, la segunda y tercer mediciones pueden usarse en conjuncion entre su Diferentes tributos de senal pueden usarse para evaluar un bloqueo/rotura 50 a base de estas mediciones, tales como, por ejemplo: 1) atenuacion de senal - la menos compleja de estimar y probablemente suficiente - a base de la transmision entre dos nodos y 2) respuesta a impulso - Figura 4 - un procedimiento mas completo.

Opcionalmente, la misma tecnologfa usada para la deteccion de la condicion de las secciones 12 de lmea de alcantarillado en riesgo (Figura 1) tambien puede usarse para comunicaciones inalambricas. Las comunicaciones de audio habitualmente se limitan a aplicaciones subacuaticas o comunicaciones de datos por modem informatico cableado. Raramente (si alguna vez) se han usado las comunicaciones de audio para aplicaciones de red de sensores inalambricas debido al alcance de propagacion limitado de las ondas de sonido en espacio libre. Para las aplicaciones de red de conductos de la presente invencion, las tubenas actuan como grnas de ondas, haciendo las comunicaciones de audio una opcion viable.

En el caso RF, puede usarse un modelo de parametros concentrados para estimar las caractensticas de estimacion a base de las mediciones empmcas:

P'W-V-^xd-Ja (2)

en la que la potencia recibida a distancia d, PR(d), y la potencia de transmision, Pt, estan en dBm. La atenuacion multimodal a en dB/m es dependiente de la conductividad, a, y radio de la grna de onda, a. La perdida de acoplamiento de antena Acl es en dB. En la Tabla 2 se resumen, por ejemplo, resultados de una campana de mediciones realizada en la banda de 2,4 GHz.

Tabla 2. Campana de Mediciones Realizada en la Banda de 2,4 GHz

Diametro de tubena (m): Perdida de Acoplamiento de Antena, Acl (dB) Atenuacion, a (dB/m)

0,30: 22,93 4,80

0,76: 41,56 0,74

1,07: 44,83 0,78

1,37: 43,39 0,76

El desaffo con el uso de senales RF para la aplicacion SL-WASN se ilustra mediante los resultados de la Tabla 2. Para comunicaciones fiables con transceptores RF existentes en el mercado operando en la banda de 2,4 GHz [Pt - PR(d)]max « 120 dB. Por lo tanto, para una tubena de 0,3 m (1 pie) dmax « 20 m (66 pies) y para una tubena de 1,37 m (4,5 pies) dmax « 100 m (330 pies), la distancia maxima estimada es considerablemente menos que la distancia maxima deseada requerida para la aplicacion SL-WASN. En base tanto a mediciones teoricas como empmcas, a medida que el diametro de la tubena disminuye, el numero de modos soportados tambien disminuye, resultando en mayor atenuacion de senal. Usando una senal RF en una frecuencia mayor, la atenuacion puede disminuirse, pero con un aumento del coste de implementacion. Este aumento puede ser aceptable en algunas aplicaciones y el uso de un sistema basado en RF puede no descartarse.

La propagacion de ondas de audio en tubenas es un tema clasico con una significante cantidad de teona e investigacion. Tubenas de alcantarillado y conductos similares son grnas de onda de audio naturales. La teona basica sobre la propagacion de audio a base de mediciones de laboratorio de absorciones acusticas en fluidos contenidos dentro de tubenas cilmdricas indica la siguiente relacion entre la amplitud de presion P( ) a distancia d2 en comparacion la amplitud de presion P( ) a distancia di

P(d2)=P(d])e-a(di-d') (3)

en la que a es el coeficiente de atenuacion de audio. Para fluidos contenidos dentro de tubenas, los coeficientes de atenuacion necesitan tener en cuenta la resistencia viscosa ofrecida en las paredes de tubena. El flujo de fluido dentro de la tubena incurre en una diferencia de fase entre la velocidad de partfculas de fluido y la presion acustica debido a las paredes de tubena. La diferencia de fase resulta en la presencia de dispersion acustica ademas de la atenuacion. La atenuacion acustica en tubenas puede modelarse bien mediante:

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J_ fr'

ac]j 2 p

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en la que a es el radio de la tubena, c es la velocidad del sonido, 7e es el coeficiente modificado de viscosidad, m es la frecuencia senal de audio y p es la densidad del fluido. El coeficiente modificado de viscosidad, 7 incorpora el efecto de conduccion termica en las paredes de tubena:

imagen2

en la que y es la relacion de los calores espedficos, k es la conductividad termica y Cp es el calor espedfico a presion constante. Usando valores tipicos para las constantes, el coeficiente de atenuacion de audio se evalua para una tubena de PVC de 20,32 centfmetros (8 pulgadas) en la Figura 3. Datos de propagacion de audio iniciales se recogieron dentro de una seccion de lmea de alcantarillado inactiva a base de equipo de medicion de primera generacion que emplea una senal de audio de 0,5 vatios en el transmisor y un medidor de presion de sonido como el receptor con cobertura de banda de frecuencia desde 20 Hz hasta 20 kHz. La estimacion preliminar para el coeficiente de atenuacion de audio a base de los datos medidos tambien se proporciona en la Figura 3. Como se espera, el coeficiente estimado empmco es mayor que el coeficiente estimado analttico.

La viabilidad de usar senales de audio para la aplicacion SL-WASN se motiva por los resultados de la Figura 3. Para comunicaciones fiables con hardware de audio existente en el mercado, [P(d) P(cy]max « 90dB. Para una tubena de suministro de lmea de alcantarillado de 20,32 centfmetros (8 pulgadas) tfpica, a base de la estimacion emprnca para el coeficiente de atenuacion de audio, dmax « 1059 m (3475 pies) a 600 Hz y dmax « 234 m (769 pies) a 10 kHz. La distancia maxima estimada es considerablemente mas grande que la distancia maxima deseada de 152,4 metros (500 pies) requeridos para la aplicacion SL-WASN. Tambien, el coeficiente de atenuacion de audio es inversamente proporcional al radio de tubena; por lo tanto, para tubenas de diametro mayor, el coeficiente de atenuacion disminuye proporcionalmente, sugiriendo alcances de transmision maximo mayores.

Las ondas de ultrasonido se han usado durante mucho tiempo para la formacion de imagenes y la formacion de imagenes por onda de audio se usa para la determinacion de las acusticas de habitaciones para sistemas de reproduccion de sonido. Para la aplicacion SL-WASN de la presente invencion, se usa un enfoque similar a base de la suposicion de que en un intervalo de tiempo lo suficientemente corto cada seccion de lmea de alcantarillado puede verse como un sistema lineal e invariante en el tiempo (LTI). Debido a las dinamicas del flujo y la variacion en el nivel de flujo, la respuesta a impulso de la lmea de alcantarillado, h(t), es estadfsticamente invariante durante un intervalo de tiempo limitado. Este intervalo de tiempo limitado es el tiempo de coherencia para la seccion de lmea de alcantarillado y es uno de los parametros de la presente invencion.

La Figura 4 ilustra un posible procedimiento de medicion usado por la SL-WASN 16 (Figuras 1 y 2) de la presente invencion para obtener el conjunto de comportamientos de estimaciones de bloqueo usado para clasificar el estado de bloqueo. Los nodos 40, 42, 44 de sensor se ubican a distancias regulares dentro de los registros. Estos nodos 40, 42, 44 de sensor estiman periodicamente la respuesta a impulso asociada con su reflexion, por ejemplo hAA(t), asf como la respuesta a impulso asociada con la transmision desde sus nodos de sensor vecinos, por ejemplo hBA(t) y hcA(t). Cada nodo 40, 42, 44 de sensor en la vecindad transmite secuencialmente y de este modo proporciona un analisis de dos puertos aproximado para cada seccion de lmea de alcantarillado.

La respuesta a impulso puede estimarse usando varios enfoques diferentes. Uno de los enfoques ilustrativos mas prometedor se ilustra en la Figura 5, en la que la senal transmitida en la fuente, X(t), es una secuencia de longitud maxima (MLS). Las MLS tienen una densidad espectral de potencia constate aproximada y una auto correlacion

La respuesta a impulso de la seccion de lmea de alcantarillado a prueba, es decir la seccion de lmea de alcantarillado entre la fuente y el receptor, es:

*(0 * Kxy M * ~ [r x{t)y(*+*■)* (6)

dado que Tes suficientemente grande y la respuesta a impulso esta estacionaria en el intervalo 2T.

Haciendo referencia de nuevo a la Figura 4, el bloqueo dentro de la tubena afecta a la respuesta a impulso, por ejemplo hBB(t), hAA(t), hAB(t), hBA(t). En impacto en la respuesta a impulso se debe al bloqueo, pero tambien se debe al cambio en los niveles de agua desde aguas arriba del bloqueo frente a aguas abajo. Debena observarse que la

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variacion en las respuestas a impulso aguas arriba y aguas abajo tambien se impacta mediante el bloqueo en seccion de lmea de alcantarillado Ab.

El conjunto de comportamientos de estimaciones de bloqueo a base del analisis de respuesta a impulso de dos puertos proporciona un significante grado de redundancia que mejora la fiabilidad de la deteccion, pero al relativamente pequeno coste de aumentar la complejidad del calculo. Un enfoque alternativo es evaluar el nivel de presion de sonido (SPL) de transmision dentro de varias bandas de frecuencia, en vez de evaluar la respuesta a impulso. La evaluacion de correlaciones asociadas con diferentes conjuntos de comportamientos de estimaciones de bloqueo para desarrollar un conjunto de comportamientos robusto y computacionalmente asequible es un aspecto primordial de la presente invencion que implica pruebas para evaluar diferentes condiciones de bloqueo en diferentes tasas de flujo y niveles de agua.

La tasa de flujo y niveles de flujo fluctuan a lo largo de todo el dfa dentro de una seccion de lmea de alcantarillado y puede fluctuar en diferentes periodos de tiempo en otros sistemas de conductos. Por lo tanto, a base del tamano relativo del bloqueo con el nivel de agua de lmea de alcantarillado, el bloqueo puede ocultarse por el agua. En el lado positivo, los bloqueos por grasa tienden a construirse despacio con el paso del tiempo, con lo que pueden recogerse estadfsticas durante dfas para observar los cambios potenciales en las caractensticas del bloqueo. Uno de los desafms en el desarrollo de la SL-WASN 16 (Figuras 1 y 2) es la planificacion de la captacion acustica o RF de la lmea de alcantarillado a una tasa de incidencia lo suficientemente alta, mientras minimizando la incidencia para conservar potencia de batena limitada. Para que la SL-WASN 16 sea viable economicamente, los nodos de sensor debenan operar durante al menos un ano en una aplicacion de lmea de alcantarillado, es decir la frecuencia a la que la Agencia de Proteccion Ambiental (EPA) requiere que cada entrada de registro sea inspeccionada. Un aspecto adicional de la presente invencion es obtener estimaciones de fluctuaciones diarias y semanales en el conjunto de comportamientos de estimaciones de bloqueo a base de despliegues de pruebas de campo a largo plazo. Estas se usan para desarrollar planificacion de captacion acustica o RF y un algoritmo de planificacion optimizado.

Haciendo referencia a la Figura 6, en una realizacion ilustrativa, un nodo 54 de sensor acustico de la SL-WASN 16 (Figuras 1 y 2) incluye un primer conjunto 56 de componentes y un segundo conjunto 58 de componentes que se acoplan electricamente. Opcionalmente, el primer conjunto 56 de componentes y el segundo conjunto 58 de componentes se forman integralmente. El primer conjunto 56 de componentes incluye un microfono 60, un pre- amplificador 62 de microfono, un convertidor 64 analogico/digital (A/D), un convertidor 70 digital/analogico (D/A), un amplificador 72 de audio y un altavoz 74. El convertidor 64 A/D y convertidor 70 D/A se acoplan electricamente a un micro-controlador 66 y almacenamiento 68 de datos asociado del segundo conjunto 58 de componentes. Opcionalmente, el subsistema de microfono y altavoz se disena y fabrica a base de componentes de audio existentes en el mercado. El microcontrolador y subsistema de almacenamiento de datos pueden comprarse como una tarjeta de desarrollo para reducir el tiempo de desarrollo y gastos. La tecnologfa actual esta disponible para la integracion de un modem celular en un sistema embebido; y la presente invencion aborda los desaffos asociados con la recepcion de una senal RF celular dentro de una entrada de registro o con la ubicacion de una antena celular fuera de la entrada de registro.

A base de una evaluacion preliminar de caractensticas de propagacion de lmea de alcantarillado, un lfmite superior de la frecuencia operacional puede ser de 20 kHz. Esto corresponde bien al mercado de audio de consumo para dispositivos celulares de MP3 y sistemas de cine en casa. Por lo tanto, el coste de componentes de audio es a base de mercados existentes con una gran econoirna de escala. Ademas, muchos de los productos de consumo tienen restricciones de batena similares y, por lo tanto, tienen incorporados modos de seguridad preestablecidos en sus disenos de circuito integrado (IC).

El desaffo de diseno central de la presente invencion implica a los transductores; tanto microfono como altavoz. Debido a la exposicion potencial al flujo de agua y los qrnmicos de los desechos industriales, el microfono y altavoz deben ser capaces de operar en entornos duros. Por ejemplo, pueden usarse microfonos y altavoces que se disenan para entornos exigentes, con la capacidad para operar despues de inmersion en 15 m de agua ademas de ser resistentes a la corrosion.

Usar la red de lmeas de alcantarillado como un canal de comunicacion presenta un numero de problemas: variaciones termicas, codos de tubena, entradas de registro, variacion en superficies de tubena, variacion en tasas y niveles de flujo de agua, ruido de superficie (coches, camiones, etc.), ruido de flujo de agua y otras fuentes de ruido en el alcantarillado (por ejemplo, animales e insectos). La capa ffsica (PHY) de comunicacion de audio debe adaptarse a las condiciones de canal de comunicacion actuales para maximizar la capacidad de canal con una tasa de error de transmision lo suficientemente baja. Una ventaja distintiva para SL-WASN 16 (Figuras 1 y 2) - la senal de audio sirve el fin doble de captacion acustica y comunicacion. Los resultados de la captacion acustica pueden usarse para adaptar los parametros de procesamiento de senal de capa PHY, por ejemplo ecualizador de canal y potencia de transmision. La unica restriccion es que la transmision de comunicacion debe producirse dentro del tiempo de coherencia de lmea de alcantarillado de la captacion acustica. Capas superiores del protocolo se desarrollan a base de la adaptacion de la cantidad significante de trabajo de las redes de sensores inalambricas de energfa eficiente.

La Figura 7 ilustra una implementacion ilustrativa del protocolo SL-WASN de la presente invencion, en la que los datos de bloqueo se comunican desde el nodo A-B-C-D de sensor. Transmisiones se basan en paquetes con

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deteccion de error y acuse de recibo. La capa MAC es a base de un acceso multiple por division en el tiempo (TDMA) combinado y acceso multiple de captacion de colision con prevencion anticolision (CSMA/CA). Cada nodo de sensor se asigna una ventana de transmision en la que transmitir exitosamente; por lo tanto, ningun otro nodo de sensor provoca interferencia a su transmision en el nodo receptor previsto. CSMA/CA se usa para minimizar el impacto de fuentes de ruido de canal adyacente. Por lo tanto, antes de la transmision, un nodo de sensor escucha el

canal para fuentes de ruido y se retira para evitar transmitir durante su presencia. El algoritmo de retirada y la

longitud de la ventaja de comunicacion son a base de las caractensticas de las fuentes de ruido presentes en la lmea de alcantarillado. La longitud de la ventaja de comunicacion se establece para permitir que multiples retransmisiones garanticen un enlace de comunicacion fiable. La sincronizacion de tiempo entre nodos de sensor se logra a traves de la transmision de captacion acustica. Los nodos de sensor operan en un ciclo de trabajo muy bajo y durante un gran porcentaje del tiempo estan en un modo de apagado.

Haciendo referencia a la Figura 8, en otra, mas generica, realizacion ilustrativa que resume los

sistemas/procedimientos descritos anteriormente, el DPMS 80 de la presente invencion utiliza observaciones 82 en tiempo real de secciones 84 de lmea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo para formular una polftica 86 de mantenimiento predictiva dinamica. Esta polftica 86 de mantenimiento predictiva dinamica de justo a tiempo minimiza las perdidas economicas asociadas con la planificacion de mantenimiento convencional dentro de secciones 84 de lmea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo. Secciones de lmea de alcantarillado de aguas residuales de SSO con alto riesgo y aperiodicas son candidatas para el empleo de la estructura DPMS de la presente invencion. Como se ilustra en la Figura 8, el DPMS 80 de la presente invencion despliega una red 88 de sensores inalambricos de lmea de alcantarillado (SL-WSN) operable para la realizacion de observaciones en tiempo real. Esta SL-WSN 88 puede basarse en audio, basarse en RF o a base de un medio/tecnologfa equivalente. La SL-WSN 88 es un componente clave tanto para la supervision de las secciones 84 de lmea de alcantarillado de aguas residuales en riesgo, asf como para proporcionar tecnologfa de comunicaciones para retransmitir las observaciones 82 en tiempo real de vuelta a la oficina central. Las observaciones 82 en tiempo real se introducen en un modelo predictivo de lmea de alcantarillado que utiliza analisis de dos puertos, conjunto de comportamientos de vecindad, una estimacion de estado, un modelo oculto de Markov y/o similares, que proporcionan procesamiento 90 de decision y accion en la oficina central. Tanto este modelo predictivo de lmea de alcantarillado como analisis de evaluacion de riesgo de mantenimiento se informan mediante el conocimiento previo descrito anteriormente; incluyendo datos historicos, datos climatologicos, patrones culturales, patrones de follaje y/o similares. Debena observarse que pueden tenerse en cuenta otros factores para otras aplicaciones, que no sean de lmea de alcantarillado. El analisis de evaluacion de riesgo de mantenimiento se usa para formular la polftica 86 de mantenimiento predictiva dinamica y tomar una accion 92 de mantenimiento, informacion sobre la cual se introduce de vuelta al modelo predictivo de lmea de alcantarillado y analisis de evaluacion de riesgo de mantenimiento. Como se ha descrito anteriormente, las observaciones 82 en tiempo real se usan para informar la colocacion y operacion de la SL-WSN 88.

Aunque la presente invencion se ha ilustrado y descrito en el presente documento con referencia a realizaciones preferidas y ejemplos espedficos de las mismas, sera facilmente evidente para los expertos en la materia que otras realizaciones y ejemplos pueden realizar funciones similares y/o lograr resultados similares. Todas tales realizaciones y ejemplos equivalentes estan dentro del ambito de la presente invencion mientras que se incluyan en la definicion de las siguientes reivindicaciones.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema de supervision para una red de conductos que comprende una o mas secciones (30, 38) de conducto unidas en uno o mas nodos de conducto, que comprende:

uno o mas dispositivos (40-48) de sensor dispuestos en unos seleccionados del uno o mas nodos de conducto, en el que cada uno del uno o mas dispositivos de sensor es operable para la deteccion de un bloqueo o rotura (50) en una seccion de conducto asociada transmitiendo una senal que se afecta por el bloqueo o rotura a otro dispositivo sensor que mide una senal transmitida despues de que ha pasado a traves de o por el bloqueo o rotura y/o que se refleja mediante el bloqueo o rotura de vuelta al mismo, en el que se miden tanto la senal transmitida despues de que ha pasado a traves de o por el bloqueo o rotura como una senal reflejada despues de que se ha reflejado por el bloqueo o rotura, en el que la senal se transmite en una direccion que es sustancialmente paralela a una direccion de flujo de fluido prevista en la seccion de conducto asociada y en el que cada uno del uno o mas dispositivos de sensor es operable para la comunicacion de informacion de bloqueo o rotura a una ubicacion central.
2. El sistema de supervision de la reivindicacion 1, en el que cada uno de los dispositivos de sensor comprende uno de un dispositivo sensor de audio y un dispositivo sensor de frecuencia de radio.
3. El sistema de supervision de la reivindicacion 1, en el que cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la deteccion del bloqueo o rotura en la seccion de conducto asociada midiendo un atributo de una senal transmitida/recibida, solo o en combinacion con otro dispositivo sensor.
4. El sistema de supervision de la reivindicacion 1, en el que cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la comunicacion de la informacion de bloqueo o rotura a la ubicacion central a traves de un enlace inalambrico.
5. El sistema de supervision de la reivindicacion 1, comprendiendo ademas un modelo predictivo de red de conductos proporcionado en la ubicacion central y operable para el procesamiento de la informacion de bloqueo o rotura para formar una polftica de mantenimiento predictiva dinamica que dicta una accion de mantenimiento.
6. El sistema de supervision de la reivindicacion 5, comprendiendo ademas una base de datos historica que informa al modelo predictivo de red de conductos.
7. El sistema de supervision de la reivindicacion 1, comprendiendo ademas un mecanismo de alarma que se activa en la ubicacion central mediante la informacion de bloqueo o rotura si se cruza un determinado umbral de bloqueo o rotura.
8. El sistema de supervision de la reivindicacion 1, en el que la red de conductos comprende una red de lmeas de alcantarillado, las secciones de conducto comprenden secciones de lmeas de alcantarillado y los nodos de conducto comprenden registros.
9. Un procedimiento de supervision para una red de conductos que comprende una o mas secciones (30, 38) de conducto unidas en uno o mas nodos de conducto, que comprende:

disponer de uno o mas dispositivos (40-48) sensores en unos seleccionados del uno o mas nodos de conducto, en el que cada uno del uno o mas dispositivos de sensor es operable para la deteccion de un bloqueo o rotura (50) en una seccion de conducto asociada, transmitiendo una senal que se afecta por el bloqueo o rotura a otro dispositivo sensor que mide una senal transmitida despues de que ha pasado a traves de o por el bloqueo o rotura y/o que se refleja mediante el bloqueo o rotura de vuelta al mismo, en el que se miden tanto la senal transmitida despues de que ha pasado a traves de o por el bloqueo o rotura como una senal reflejada despues de que se ha reflejado por el bloqueo o rotura, en el que la senal se transmite en una direccion que es sustancialmente paralela a una direccion de flujo de fluido prevista en la seccion de conducto asociada y en el que cada uno del uno o mas dispositivos de sensor es operable para la comunicacion de informacion de bloqueo o rotura a una ubicacion central.
10. El procedimiento de supervision de la reivindicacion 9, en el que cada uno de los dispositivos de sensor comprende uno de un dispositivo sensor de audio y un dispositivo sensor de frecuencia de radio.
11. El procedimiento de supervision de la reivindicacion 9, en el que cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la deteccion del bloqueo o rotura en la seccion de conducto asociada, midiendo un atributo de una senal transmitida/recibida, solo o en combinacion con otro dispositivo sensor.
12. El procedimiento de supervision de la reivindicacion 9, en el que cada uno de los dispositivos de sensor es operable para la comunicacion de la informacion de bloqueo o rotura a la ubicacion central a traves de un enlace inalambrico.
13. El procedimiento de supervision de la reivindicacion 9, comprendiendo ademas proporcionar un modelo predictivo de red de conductos en la ubicacion central operable para el procesamiento de la informacion de bloqueo o rotura para formar una polftica de mantenimiento predictiva dinamica que dicta una accion de mantenimiento.

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14. El procedimiento de supervision de la reivindicacion 13, comprendiendo ademas proporcionar una base de datos historica que informa al modelo predictivo de red de conductos.
15. El procedimiento de supervision de la reivindicacion 9, comprendiendo ademas proporcionar un mecanismo de alarma que se activa en la ubicacion central mediante la informacion de bloqueo o rotura si se cruza un determinado umbral de bloqueo o rotura.
16. El procedimiento de supervision de la reivindicacion 9, en el que la red de conductos comprende una red de lmeas de alcantarillado, las secciones de conducto comprenden secciones de lmeas de alcantarillado y los nodos de conducto comprenden registros.
17. Un procedimiento de supervision y mantenimiento para una red de conductos que comprende una o mas secciones (30, 38) de conducto unidas en uno o mas nodos de conducto, que comprende:

evaluar un estado de bloqueo o rotura (50) de cada una de la una o mas secciones de conducto midiendo un atributo de una senal de audio o frecuencia de radio transmitida despues de que ha pasado a traves de o por un bloqueo o rotura en cada uno del uno o mas nodos de conducto, en el que la senal de audio o frecuencia de radio transmitida se transmite en una direccion que es sustancialmente paralela a una direccion de flujo de fluido prevista en cada una de la una o mas secciones de conducto; y

mantener cada una de la una o mas secciones de conducto en respuesta al estado de bloqueo o rotura evaluado.
18. El procedimiento de supervision y mantenimiento de la reivindicacion 17, en el que el estado de bloqueo o rotura se evalua en una ubicacion central.
19. El procedimiento de supervision y mantenimiento de la reivindicacion 18, en el que el estado de bloqueo o rotura se evalua en la ubicacion central usando un modelo predictivo de red de conductos operable para el procesamiento de informacion de bloqueo o rotura para formar una polftica de mantenimiento predictiva dinamica que dicta una accion de mantenimiento.
20. El procedimiento de supervision y mantenimiento de la reivindicacion 17, en el que la red de conductos comprende una red de lmeas de alcantarillado, las secciones de conducto comprenden secciones de lmeas de alcantarillado y los nodos de conducto comprenden registros.